導(dǎo)語(yǔ)：變壓器運(yùn)行點(diǎn)降低作用論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電變壓器直流偏磁電路-磁路耦合模型

摘要：當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)采用單極大地回路方式運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)有部分入地電流流入中性點(diǎn)接地的電力變壓器中，這將給系統(tǒng)運(yùn)行和變壓器本身帶來(lái)諸多不利后果。采用電路-磁路耦合方法，推導(dǎo)建立了可以考慮負(fù)載變化的單相心式變壓器模型，對(duì)偏磁電流造成的變壓器工作電流諧波增加等影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，并利用解析法對(duì)空載條件下的簡(jiǎn)化變壓器模型進(jìn)行了驗(yàn)證。還比較了由于負(fù)載不同使得變壓器處于不同工作點(diǎn)時(shí)偏磁電流影響的變化。仿真結(jié)果表明，變壓器運(yùn)行工作點(diǎn)降低對(duì)提高設(shè)備耐受直流偏磁干擾的能力有積極的作用。

引言

隨著“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的實(shí)施，近幾年來(lái)，天生橋至廣州北郊、三峽至常州、三峽至廣東、貴州至廣東直流輸電工程陸續(xù)建成。在運(yùn)行實(shí)踐中，當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)采用單極大地回路方式進(jìn)行電能傳送時(shí)，將會(huì)有最高達(dá)數(shù)千安培的直流電流流入大地。部分直流電流流經(jīng)中性點(diǎn)接地的電力變壓器等設(shè)備，在交流系統(tǒng)中形成回路，從而由于直流偏磁效應(yīng)，使得電力變壓器處于非正常的運(yùn)行狀態(tài)中，最終導(dǎo)致了對(duì)設(shè)備本身以及所在電力系統(tǒng)的干擾。如在2002年12月三峽至常州±500kV直流輸電系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)試和試運(yùn)行以來(lái)，常州武南兩組500kV主變壓器噪聲上升了約20dB。2003年4月至5月，在直流輸電功率為1540MW，地中電流達(dá)3320A的大方式下，測(cè)量得到500kV武南主變壓器的中性點(diǎn)直流電流最大值為10.4A，噪聲最高達(dá)91.4dB。此外，南方電網(wǎng)貴廣直流2004年5月的監(jiān)測(cè)記錄表明，當(dāng)以750MW單極大地回路方式運(yùn)行時(shí)，春城站主變壓器中性點(diǎn)直流電流達(dá)34.5A，噪聲為93.9dB，諧波電壓總畸變率達(dá)2.1%。由于電力變壓器對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因此國(guó)內(nèi)相關(guān)電力運(yùn)行部門(mén)和科研院所針對(duì)電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象以及所造成的系統(tǒng)影響這一難題，開(kāi)展了大量的研究工作，獲得了許多有價(jià)值的研究成果。筆者采用電路-磁路耦合的分析方法，推導(dǎo)建立了簡(jiǎn)單交流系統(tǒng)中帶有負(fù)載的單相雙繞組心式電力變壓器的數(shù)學(xué)模型，并利用解析法進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)考察該模型在不同幅值的偏磁電流下的表現(xiàn)，獲得了關(guān)于變壓器直流偏磁現(xiàn)象機(jī)理和所產(chǎn)生影響的定量描述，分析了由于負(fù)載變化而導(dǎo)致變壓器處于不同工作點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的差異。研究結(jié)果可以為今后更進(jìn)一步的研究工作提供參考。

一、計(jì)算原理

電路-磁路耦合的計(jì)算方法通過(guò)將反映變壓器端口特性和內(nèi)部電磁場(chǎng)分布的電路和磁路方程聯(lián)合求解，能更準(zhǔn)確地反映變壓器內(nèi)在屬性特征，能更好地滿足系統(tǒng)分析的需要。當(dāng)變壓器受到直流偏磁電流干擾時(shí)，在設(shè)備內(nèi)部既存在交流作用，又存在直流作用，變壓器鐵心極易進(jìn)入高度飽和狀態(tài)。對(duì)這一現(xiàn)象的研究必須綜合考慮系統(tǒng)條件和變壓器設(shè)備的本身特性，因而利用電路-磁路耦合的計(jì)算方法能獲得物理概念更為明晰的分析結(jié)果。usys，Rsys，Lsys和Udc分別表示交流系統(tǒng)等值交流電源、阻抗和直流電壓源；變壓器原副邊繞組電阻和負(fù)載分別用Rp，Rs和RL來(lái)代表。而ip，is和ep，es則分別代表原副邊繞組電流和感應(yīng)電勢(shì)。根據(jù)圖1所示系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，可以列寫(xiě)出相關(guān)電路方程見(jiàn)式(1)：usys=ip(Rsys+Rp)+Lsysdipdt+dψpdt-Udc-dψsdt=is(Rs+RL!####"####$)(1)其中：ψp，ψs代表原副邊繞組各自所交鏈的總磁鏈。圖2所示是單相心式變壓器的磁路模型，其中Rmp，Rms和Rmy分別代表變壓器原副邊鐵心和上下鐵軛磁阻；Rma表示兩側(cè)漏磁支路磁阻。而Fp和Fs則分別表示原副邊繞組電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì);Φi(i=1，2，3)為回路磁通。結(jié)合圖2所示的磁路模型，列寫(xiě)相關(guān)磁路方程如下：[R(Φ)][Φ]=[Nm][i](2)其中：[R(Φ)]為磁阻矩陣，各漏磁支路磁阻值可以由變壓器短路及空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得；[Φ]為回路磁通矩陣；[Nm]，[i]分別為繞組匝數(shù)及電流矩陣。利用梯形積分公式將式(1)轉(zhuǎn)化為：[A][i(t+Δt)]=-[Nm]T[Φ(t+Δt)]+[S](3)其中：[A]，[S]是與外加系統(tǒng)條件或前一時(shí)刻各狀態(tài)量有關(guān)的系數(shù)矩陣。將式(2)和式(3)聯(lián)立，就可以獲得以矩陣形式表述的電路-磁路耦合方程：{[R(Φ)]+[Nm][A]-1[Nm]T}[Φ(t+Δt)]=[Nm][A]-1[S]由于鐵心材料的非線性，需要利用牛頓-拉夫遜法進(jìn)行迭代求解，進(jìn)而最終獲得各狀態(tài)量隨時(shí)間的變化情況。

二、具體實(shí)例分析

實(shí)例分析中所采用的單相雙繞組心式變壓器模型各項(xiàng)參數(shù)包括：額定容量62.5MV•A，額定頻率50Hz，原副邊額定電壓分別為16/3%kV和110/3%kV，漏抗0.113p.u.，相應(yīng)漏磁支路磁阻為1.71×107H-1；鐵心和鐵軛等效截面積均為0.454m2，鐵軛長(zhǎng)1.33m，鐵心高3.59m；原副邊繞組匝數(shù)分別為65匝和450匝。為了便于進(jìn)行解析分析，筆者根據(jù)文所給出的鐵心勵(lì)磁特性參數(shù)，利用雙曲函數(shù)表達(dá)式對(duì)其進(jìn)行了擬合，得到該變壓器鐵心勵(lì)磁特性曲線表達(dá)式為H=0.201sinh(6.17B)。2.1空載條件下的數(shù)值仿真結(jié)果由于回路電感效應(yīng)，當(dāng)設(shè)定Udc為某一數(shù)值后，變壓器繞組中流過(guò)的直流電流并不能馬上達(dá)到穩(wěn)態(tài)。為了縮短仿真時(shí)間，調(diào)整原邊回路總電阻值為2Ω，副邊回路總電阻值為1×108Ω。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取為39μs，迭代計(jì)算的收斂精度為1×10-8。經(jīng)計(jì)算得到，變壓器原邊電流ip和鐵心主磁通受偏磁電流影響分別見(jiàn)圖3和圖4。當(dāng)系統(tǒng)中不存在偏磁電流時(shí)，原邊電流ip和鐵心主磁通峰值分別為90.5A和0.64Wb；當(dāng)流入變壓器原邊的偏磁電流為10A時(shí)，變壓器原邊電流ip和鐵心主磁通峰值分別為133.8A和0.67Wb。分別對(duì)這兩種條件下的原邊電流和鐵心主磁通進(jìn)行諧波分析，得到各次諧波幅值見(jiàn)表1～3。2.2空載變壓器模型的解析驗(yàn)證為了對(duì)上述數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行解析驗(yàn)證，現(xiàn)假定原副邊繞組匝數(shù)分別為N1匝和N2匝，原邊接有交流電壓源uac=2!U1cosωt，流入原邊的偏磁電流為Idc，與原邊電流i1同向，鐵心磁路長(zhǎng)度為l，等效截面積為S。鐵心勵(lì)磁特性曲線仍采用雙曲函數(shù)H=xsinh(yB)來(lái)表示。根據(jù)安培環(huán)路定律，鐵心中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H滿足：N1i1+N1Idc=Hl(4)將雙曲函數(shù)表達(dá)式代入式(4)，并進(jìn)行傅里葉分解可得：N1Idc=lxsinh(ySΦ0)a0(m)(5)N1i1=lx{sinh(ySΦ0)[∞n=1"a2n(m)cos(2nωt)]+cosh(ySΦ0)[∞n=1"a2n-1(m)cos((2n-1)ωt-π2)]}(6)其中：n=1，2，…；m是與變壓器工作狀態(tài)有關(guān)的量;而a0(m)，a2n(m)，a2n-1(m)則分別為傅立葉分解生成的各項(xiàng)系數(shù)。利用式(5)和式(6)，就可以計(jì)算得出鐵心中由于偏磁電流Idc而出現(xiàn)的直流磁通分量Φ0以及原邊電流i1的各次諧波分量。經(jīng)計(jì)算得到，空載條件下，變壓器原邊鐵心主磁通峰值為0.64Wb。無(wú)偏磁電流存在時(shí)，直流磁通分量為0；而當(dāng)偏磁電流增大為10A時(shí)，直流磁通分量為0.0287Wb。兩種條件下原邊電流各次諧波幅值5。將電路-磁路耦合方法分析所得與解析法所得進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，二者結(jié)果相差很小，因而相互得到了驗(yàn)證。綜合這兩種不同方法得到的直流偏磁電流對(duì)變壓器工作電流的影響可以發(fā)現(xiàn)，偏磁電流能夠造成變壓器工作電流各次諧波幅值均出現(xiàn)不同程度的增加，特別是對(duì)于偶次諧波而言，變化更為明顯。由此而產(chǎn)生的大量諧波勢(shì)必會(huì)對(duì)所在系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，也會(huì)給繼電保護(hù)配置帶來(lái)一定的問(wèn)題。鐵心主磁通的變化則表明，空載條件下偏磁電流對(duì)基波磁通幅值幾乎沒(méi)有影響，直流磁通分量則有所增加，但與10A偏磁電流單獨(dú)作用所產(chǎn)生的直流磁通0.48Wb相比要小得多。不同工作點(diǎn)的影響在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的電力變壓器大都處于負(fù)載狀態(tài)，它們?cè)阼F心勵(lì)磁特性曲線上的工作點(diǎn)在某些條件下有可能會(huì)隨著外部系統(tǒng)條件的變化而發(fā)生改變。為了分析不同工作點(diǎn)對(duì)于變壓器承受偏磁電流干擾能力的影響，所示系統(tǒng)模型中，通過(guò)調(diào)節(jié)副邊負(fù)載電阻值，對(duì)偏磁電流的干擾作用進(jìn)行了比較分析。需要指出的是，在實(shí)際系統(tǒng)中，變壓器原副邊所處系統(tǒng)狀態(tài)要復(fù)雜得多，同時(shí)也存在著各種能對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)的措施和手段。為了突出研究重點(diǎn)，本文僅考慮了最為簡(jiǎn)單的一種情況。選擇變壓器副邊負(fù)載電阻分別為1kΩ和5kΩ，求解得到原邊工作電流峰值變化情況。在這兩種負(fù)載條件下，變壓器鐵心主磁通分別為0.58Wb和0.63Wb，處于不同的工作點(diǎn)上。通過(guò)對(duì)比不同負(fù)載條件下偏磁電流對(duì)變壓器原邊工作電流的影響，以及結(jié)合空載條件下求解得到的結(jié)果，可以認(rèn)為，當(dāng)變壓器運(yùn)行于較低的工作點(diǎn)上時(shí)，同樣幅值的偏磁電流的影響會(huì)有所減弱。這應(yīng)當(dāng)是由于在這樣的工作條件下，變壓器鐵心更不易進(jìn)入過(guò)飽和狀態(tài)的緣故。公務(wù)員之家

三、結(jié)語(yǔ)

(1)采用電路-磁路耦合方法和解析方法，對(duì)空載條件下電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象進(jìn)行分析所得的結(jié)果表明，受到直流偏磁電流干擾的電力變壓器勵(lì)磁電流峰值會(huì)大幅增加，原有各奇次諧波均有所增強(qiáng)，而偶次諧波更是大量出現(xiàn)。(2)在穩(wěn)態(tài)條件下，變壓器直流偏磁電流注入側(cè)產(chǎn)生畸變的工作電流的直流分量實(shí)際上就是自中性點(diǎn)流入的偏磁電流。同時(shí)，由于變壓器鐵心勵(lì)磁特性曲線的非線性，直流偏磁狀態(tài)下鐵心主磁通的直流分量要小于偏磁電流單獨(dú)作用時(shí)所產(chǎn)生的直流磁通量。(3)當(dāng)電力變壓器運(yùn)行于鐵心勵(lì)磁特性曲線上的不同工作點(diǎn)時(shí)，其承受直流偏磁電流干擾的能力會(huì)受到一定的影響。隨著運(yùn)行工作點(diǎn)的降低，同樣幅值的直流偏磁電流所產(chǎn)生的干擾將會(huì)有所減弱。

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